电子产品如手机、服务器、网络设备、智能手表、电动汽车电子控制单元等产品的尺寸变小，功能增多，导致热耗增大，从而作为产品电子产品机械部件的壳体设计越来越重要。不管是开口壳体还是封闭壳体，电子产品的热量都需要经过壳体散发到环境空气中。

如图1所示，1U服务器布置非常紧凑，壳体内空气流动复杂，因此优化壳体内空气流动，确保关键芯片有足够冷空气冷却；壳体结构设计必须符合产品热管理要求。

图1 Simcenter FloTHERM 仿真分析1U服务器壳体内空气流动

西门子工业软件Simcenter FloTHERM和Simcenter FloTHERMXT可以在产品概念设计阶段，利用“Enclosure”智能部件优化壳体大小、开孔、风扇布置、PCBA在壳体中安装与布局，从而优化空气流动，确保产品热可靠性。对于详细机械结构的壳体，可以通过Simcenter FloTHERM的FloMCAD Bridge 导入到Simcenter FloTHERM中做优化设计，也可以在Simcenter FloTHERM XT中通过机械参数尺寸优化壳体设计。在客户案列基础上，本文给出壳体设计需要考虑的一些因素，供热设计工程师参考。

第一考虑点：壳体设计中，需要确保关键芯片散热有足够空气流道。电子产品各种接头，数据线可能会占用空气流道，从而增加空气阻力，风扇工作点向压力大处偏移，导致流量变小而芯片节温偏高；自然对流、封闭壳体的电子产品中的连接器可能会导致壳体中空气回流，如果热空气回流点出现在主要芯片处，就会导致产品失效。因此在机械壳体设计中，不仅需要考虑高功耗芯片，也需要考虑产品连接器，数据线（如图2所示）对空气流动的影响。

图2 电脑中数据连接线

第二考虑点：选择合适风扇安装在壳体上合适位置。

图3 风扇类型从左到右：轴流风扇、径流风扇、离心风扇

图4 轴流风扇，径流风扇以及混流风扇的标准化P-Q曲线

不同类型的风扇外形如图3所示，P-Q曲线如图4所示。径向风扇通常会产生高压力而流量低，轴流风扇流量高而压力低；如何选择风扇，主要依据是控制芯片节温需要的风量，满足风量条件下，为设计余量，如果外壳有安装空间，工程师通常会选择大风扇，大风扇出风大，工作点转速慢，噪音小；大风扇成本高，风扇电磁兼容EMC问题很难解决，电子产品小型化，迫使工程师选择更小更便宜的风扇，如此风扇转速高，噪音大，风量也会少。

第三考虑点：强制对流电子产品，风扇对壳体来说是抽风还是送风。从系统热设计时，首先需要考虑风扇送风进外壳还是风扇从外壳抽风，送风系统在外壳内产生正压，各个PCBA板，连接器都是阻力部件，风扇布置和各个PCBA插槽板间距与布置需要优化才能保证空气合理均匀分配；目前笔记本电脑采用送风。复杂的电子产品，为保证流量，通常安装内部风扇，送风风扇与抽风风扇组合应用。抽风系统在外壳内产生负压，会有环境空气漏入系统而大固体颗粒会被入风口滤网过滤掉，抽风系统流动会更加均匀。在壳体详细设计阶段，一定要考虑风扇在壳体上的安装，确保减少高速风扇因机械振动而产生的噪音。

第四考虑点：利用导流板让壳体内风速均匀，减少环流。导流板通常放在送风风扇后面，导流板加入会导致送风系统阻力增加，流量减少；导流板产生阻力越大，流动越均匀，如图5所示。

图5 Simcenter FloTHERM XT中利用导流板分配流量

如图6所示，风扇托盘安装同类型的轴流风扇，因轴流风扇送风速度高时有“喷射”效应，轴流风扇会产生非轴流速度；风扇流量越高，轴流风扇越容易产生径向速度，为确保风扇托盘后空气流量均匀，流向一致，通常需要考虑加导流板。

风扇流速大产生径向速度，出口形成涡流，有效散热空气减少，建议加导流板

图6 Simcenter FloTHERM中轴流风扇并列送风流动不一致示意

图7 具有EMC阻隔功能的外壳蜂窝通风孔

第五考虑点：优化设计壳体通风孔尺寸。不管抽风还是送风散热，空气都需要经过壳体通风孔，不同尺寸与布局通风孔会产生不同压力损失和空气流动速度。抽风系统可能会在入风口处因系统与壳体通风孔设计不合理，导致入口速度大而回流，从而增大压力损失，减低流量而产生产品局部“过热点”。壳体开孔会产生电磁干扰EMC问题。如图7所示。利用铝合金薄板成型的壳体开蜂窝通风孔，开孔率达95%，同时开孔铝板具有EMC屏蔽功能，然而开孔直径过小导致空气流过微小孔压力损失太大，需要用大风扇，增加成本。

第六考虑点：优化风扇和通风孔在外壳上放置位置与大小。

第七考虑点：优化PCBA在壳体中的放置，如图8所示，PCBA在外壳体内不同位置，导致热源位不同；热空气上浮，冷空气进入壳体内，从而流动形态和速度有差别，散热效果不同。

图8 路由器PCBA在外壳中放置位置影响散热效果

第八考虑点：充分利用壳体导热。对于壳体完全封闭的电子产品，热源热量直接通过传导进入壳体，壳体导热均温，壳体与环境自然对流导出产品热量达到散热效果，如图9所示的智能手机产品。

图9 Simcenter FloTHERM XT中智能手机热分析效果

第九考虑点：壳体内表面增加热扩散功能。在PCBA与壳体直接接触时，利用金属PCBA板；平板热管连接壳体与热源；壳体内部利用石墨薄片均温等。

第十考虑点：是否可以用相变材料减少热冲击。如图9所示，对于快充设备，相变材料可降低产品壳体温度。

图10 Simcenter FloTHERM中相变换热仿真

第十一考虑点：壳体自然对流电子产品，务必增加辐射换热。

第十二考虑点：壳体机械设计MCAD与电路板EDA设计协同进行。Simcenter FloTHERM XT提供产品在概念设计阶段协同优化壳体机械设计与EDA芯片布局优化设计，确保产品热可靠性。

总结：西门子工业软件Simcenter FloTHERM& Simcenter FloTHERM XT 提供电子产品壳体热设计工具平台，让热设计智能化，如利用外壳温度反馈控制风扇转速达到散热效果，Simcenter FloTHERM中都能实现。再比如Simcenter FloTHERM中“controller”可根据芯片温度选择发热功率和使用频率，从而让热仿真智能化。

本文来源:Mentor机械分析，作者:周志雄

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